光电直接检测系统.ppt

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1、第5章光电直接检测系统主要内容：5.1光电直接检测系统的基本工作原理5.2光电直接检测系统的基本特性5.3直接检测系统的距离方程5.4光电直接检测系统举例第5章光电直接检测系统相干检测，光源：相干光源原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，检测时需要用光波相干原理。调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测，光源：非相干或相干光源原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为电信号，解调电路检出信息。调制方法：光强度调制、偏振调制。直接检测是一种简单实用的方法。光外差检测

2、直接检测光电检测系统5.1光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。强度调制器光学天线光学通道接收天线及光电检测器光电信号处理器光源信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的信息强度调制直接检测模型5.1光电直接检测系统的基本工作原理假定入射光信号电场为：光场平均光功率为：表示的时间平均值；光检测器输出电流为：称为光电变换比例常数()t

3、AtEswcos=()tEs2()_______2tEs()22_______2AtEPss==nhahe=光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方。5.1光电直接检测系统的基本工作原理若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：如果入射光是调幅波，即其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。LsLsoRPheRIP222øöçèæ==nh()()[]ttdAtEs

4、wcos1+=()tdAAis2221aa+=5.2光电直接检测系统的基本特性5.2.1直接检测系统的信噪比—衡量系统好坏及灵敏度光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：考虑到信号和噪声的独立性，有：由信噪比定义，输出功率信噪比为：()22nsLnooPPRhePP+..øöçèæ=+nh22sLoPRheP..øöçèæ=nh222nnsLnoPPPRheP+..øöçèæ=nh()()()nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222+=+==5.2.1直接检测系统的信噪比说

5、明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪比损失了3dB。实际应用中可以接受。可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜于不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。(1)若，则有：(2)若，则有：1<>nsPP()nspPPSNR21»在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常使用“误码率”来衡量。误码率仍然与信噪比有关。信噪比高，误

6、码率低。由噪声的概率分布规律考虑“概率问题”来衡量。5.2.2直接检测系统的检测极限及趋近方法考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。为负载电阻和放大器的热噪声之和。输出信噪比为：LNTNDNBNSnoRiiiiP.øöççèæ+++=____2____2____2____2____2____2____2,NDNBNSiii和____2NTi()()____2____2____2____222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR+++.==

7、nh5.2.2直接检测系统的检测极限①当热噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：②当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声制，信噪比为：③当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受背景噪声限制，信噪比为：()()LspRfkTPheSNRD.=422nh热()()____2____2____222NDNBNSsp散iiiPheSNR++.=nh()()BsBspPfhPPhefePheSNR.D.=øöçèæ..D.=nhnhnh22222背5.2.2直接检测

8、系统的检测极限假定光波长λ=0.7µm，检测器的量子效率η=1，测量带宽Δf=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为④当入射信号光波所引起的散粒噪声为直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：该式为直接检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称量子限灵敏度。若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功